Силовые кабели: Методические указания к лабораторному практикуму по ЭЧС

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет» Кафедра электроснабжения промышленных предприятий

В.И. КУВАЙЦЕВ

СИЛОВЫЕ КАБЕЛИ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ПРАКТИКУМУ

Рекомендовано к изданию Редакционно – издательским советом государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет»

Оренбург 2004

ББК УДК

24.2 я7 К 89 547(07)

Рецензент кандидат технических наук, доцент Нелюбов В.М.

К 89

Кувайцев В.И. Силовые кабели: Методические указания к лабораторному практикуму по ЭЧС - Оренбург: ГОУ ОГУ, 2004. – 14 с.

Методическое указание включает теоретическое изложение материала, конструктивные особенности аппаратов и контрольные вопросы для студентов специальности 100100.

ББК 24.2 я7

 Кувайцев В.И.,2004  ГОУ ОГУ, 2004

2

1 Лабораторная работа №.6. Силовые кабели 1.1 Цель работы Изучить конструкцию, назначение и область применения силовых кабелей. 1.2 Основные положения При выполнении лабораторной работы изучить: 1.2.1 Классификацию и конструкцию силовых кабелей. 1.2.2 Область применения силовых кабелей. 1.2.3 Обозначение и технические характеристики силовых кабелей. 1.2.4 Их основные преимущества и недостатки. 1.2.5 Ответить на вопрос преподавателя. Конструкция силового кабеля определяется в основном номинальным напряжением, а также системой рабочего заземления сети (незаземленные, заземленные через настроенную индуктивность, эффективно-заземленные). В cетях 6 35 кВ при замыкании одной жилы на землю напряжение между неповрежденными жилами и оболочкой (землей) увеличивается до линейного, что необходимо учитывать при выборе толщины изоляции. Трехжильные кабели 6-10 кВ изготовляют с поясной изоляцией, в общей свинцовой или алюминиевой оболочке (рисунок 1). Они имеют алюминиевые многопроволочные секторные жилы и изоляцию из кабельной бумаги, пропитанной вязким маслоканифольным составом. На основании долголетнего опыта эксплуатации кабелей установлена толщина изоляции между жилами и оболочкой; она составляет 0,73-0,74 толщины изоляции между жилами. Такая конструкция кабелей 6-10 кВ соответствует условиям их работы. Свинцовая или алюминиевая оболочка кабеля 1-токоведущая жила; 2- защищает бумажную изоляцию от проникновения влаизоляция жилы; 3- пояс- ги. Поверх металлической оболочки накладывают поная изоляция; 4- металлидушку — защитный слой из волокнистых материалов, ческая оболочка; 5- защитпропитанных битумом, и броню из стальных лент или ный покров Рисунок 1 - Поперечное проволоки. Поверх брони предусматривают наружный сечение трехжильного ка- покров — слой из пропитанных волокнистых матебеля 6—10 кВ с поясной риалов и битума — для защиты оболочки и брони от изоляцией коррозии и механических повреждений. Кабели с алюминиевой оболочкой нуждаются в особо надежной защите от почвенной коррозии, поэтому применяется сплошной защитный покров 3

из поливинилхлоридного пластика; это создает возможность прокладки кабеля без брони в земле и в помещениях, где требуются негорючесть и химическая стойкость к различным химическим агентам. Стоимость кабеля при этом снижается. Трехжильные кабели 6 и 10 кВ изготовляют с максимальным сечением алюминиевых жил 3х240 мм2. Такие кабели при прокладке в земле рассчитаны на рабочий ток соответственно 390 и 355 А. Если рабочий ток линии превышает эти значения, применяют пучки из нескольких кабелей, включенных параллельно. Широкое применение в сетях городов и промышленных предприятий получили линии из двух параллельно включенных кабелей. Трехжильные кабели 20 —35 кВ с вязкой пропиткой изготовляют с круглыми отдельно освинцованными жилами (рисунок 2). На круглые алюминиевые жилы накладывают последовательно экран из полупроводящей бумаги, изоляцию, опять экран из полупроводящей бумаги и оболочку из свинца. Изготовленные таким образом освинцованные жилы скручивают, а промежутки между ними заполняют пропитанной кабельной пряжей; затем кабель обматывают тканевой лентой или кабельной пряжей и бронируют. Поверх брони накладывают наружный защитный покров. На станциях для соединения повышающих трансформаторов с РУ высшего напряжения применяют кабели 110—500 кВ, если по местным условиям эти соединения 1 — токоведущая жила; 2 — изоляция жи- не могут быть выполнены шинами или многопроволочлы; 3 — свинцовая обо- ными проводами. лочка жилы; 4 — заКонструкции кабелей высокого напряжения щитный покров. весьма разнообразны. Наибольшее применение поРисунок 2 - Поперечное лучили кабельные линии из трех одножильных кабесечение трехжильного лей, заключенных в стальную трубу с маслом под кабеля 35 кВ с отдельно освинцованными жи- давлением около 1,5 МПа (рисунок 3). Бумажная изоляция в масле под давлением обладает значительлами: но большей электрической прочностью, большей стабильностью и надежностью в эксплуатации, чем бумажная изоляция с вязкой пропиткой. В последней при изменении температуры образуются воздушные включения, которые снижают электрическую прочность изоляции; в кабелях с бумажной изоляцией в масле воздушные включения отсутствуют. Токопроводящие жилы кабелей круглой формы скручивают из медных луженых проволок. На каждую жилу накладывают экран из лент полупроводящей бумаги и изоляцию из специальной кабельной бумаги. Поверх изоляции накладывают экран из полупроводящей и металлизированной бумаги и медные ленты, а также две спирали из мягких полукруглых

4

проволок, чтобы облегчить затягивание кабеля в трубу. Затем накладывают временную свинцовую оболочку, предохраняющую изоляцию кабеля во время транспортирования и хранения. Три изолированные жилы с экраном из медных лент и спиралью из проволоки (свинцовую оболочку снимают в процессе монтажа) затягивают в предварительно проложенную стальную трубу, которую заполняют маслом под избыточным давлением. Стальные трубы кабельных линий 110 1 — токоведущая жила; 2 500 кВ имеют диаметр 150-300 мм и толщину стенки — изоляция; 3 — сталь- 10-12 мм. Предусматривают наружный антикорроная труба; 4 — масло зийный покров. Подпитку маслом и поддержание Рисунок 3 - Кабельная линия 110 кВ из трех одно- давления в трубе осуществляют от автоматизированжильных кабелей, заклю- ной насосной установки, располагаемой на одном или ченных в стальную трубу обоих концах линии в зависимости от ее длины. с маслом: В таблице 1 приведены марки, конструкция и условия эксплуатации рассмотренных выше кабелей. Таблица 1 Марка АСГ СГ

Условия эксплуатации Прокладываются в блоках, туннелях, по стенам и потолкам помещений, где отсутствует опасность паров, газов и кислот (действующих разрушающим образом на свинцовую оболочку), механических повреждений и растягивающих усилий.

АСБГ СБГ

ЦАСБГ

Прокладываются в каналах, туннелях, блоках, шахтах, по стенам и потолкам помещений с нормальной средой, при наличии возможности попадания грунтовых вод, при отсутствии опасности механических повреждений и значительных растягивающих усилий

ЦСБГ

АСБ2лГ СБ2лГ

Прокладываются в помещениях с нормальной средой, каналах, туннелях, при сильной загруженности трассы другими кабелями, при отсутствии опасности механических повреждений и значительных растягивающих усилий.

Конструкция Род изоляции: пропитанная, бумажная; Оболочка: свинцовая. Род изоляции: бумажная, пропитанная вязким составом (АСБГ, СБГ) или нестекающим составом (ЦАСБГ, ЦСБГ); Оболочка – свинцовая; Защитный покров: типа БГ – подушка, броня из двух стальных оцинкованных лент. Род изоляции: бумажная, пропитанная вязким составом; Оболочка – свинцовая; Защитный покров: типа Б2лГ – подушка, броня из стальных оцинкованных лент. 5

Продолжение таблицы 1 Марка АСБ СБ

ЦАСБ ЦСБ

Условия эксплуатации Прокладываются в земле (траншеях) с низкой коррозийной активностью* (с наличием и без блуждающих токов) и среднем коррозийной активностью** (без блуждающих токов), по стенам вне зданий при возможности механических повреждений и при отсутствии значительных растягивающих усилий.

АСБл СБл

ЦАСБл ЦСБл

Прокладываются в земле (траншеях) со средней коррозийной активностью* (с наличием и без блуждающих токов) и высокой коррозийной активностью** (без блуждающих токов), по стенам вне зданий при сильной загруженности трассы другими кабелями, при возможности механических повреждений и при отсутствии значительных растягивающих усилий.

АСБ2л СБ2л

ЦАСБ2л ЦСБ2л

Прокладываются в земле (траншеях) со средней и высокой коррозийной активностью* (при возможности наличия блуждающих токов), по стенам вне зданий при сильной загруженности трассы другими кабелями, при возможности механических повреждений, но при отсутствии значительных растягивающих усилий

АСКл СКл Прокладываются под водой в каналах, несудоходных реках, озерах при наличии значительных растягивающих усилий.

Конструкция Род изоляции: бумажная, пропитанная вязким составом (АСБ, СБ) или нестекающим составом (ЦАСБ, ЦСБ); Оболочка – свинцовая; Защитный покров: типа Б – подушка, броня из стальных лент и наружный покров. Род изоляции: бумажная, пропитанная вязким составом (АСБл, СБл) или нестекающим составом (ЦАСБл, ЦСБл); Оболочка – свинцовая; Защитный покров: типа Бл: подушка, броня из стальных лент и наружный покров. Род изоляции: бумажная, пропитанная вязким составом (АСБ2л, СБ2л) или нестекающим составом (ЦАСБ2л, ЦСБ2л); Оболочка – свинцовая; Защитный покров: типа Б2л: подушка, броня из стальных лент и наружный покров. Род изоляции: бумажная, пропитанная вязким составом (АСКл, СКл) или нестекающим составом (ЦАСКл, ЦСКл);

ЦАСКл

Оболочка – свинцовая;

ЦСКл

Защитный покров: подушка, броня из стальных оцинкованных проволок и наружный покров.

*

- применяются при условии согласования;

** - только кабели на напряжение 1 кВ. 6

В таблице 2 даны рекомендации по выбору кабелей в зависимости от условий эксплуатации. Таблица 2 Прокладка Прокладка на открытом воздухе Прокладка в земле Прокладка под водой

с алюминиевыми жилами АСГ, АСБГ, АСБ2лГ, ЦАСБГ

с медными жилами СГ, СБГ, СБ2лГ, ЦСБГ

АСБ, АСБл, АСБ2л,ЦАСБ, ЦАСБл, ЦАСБ2л АСКл, ЦАСКл

СБ, СБл, СБ2л,ЦСБ, ЦСБл, ЦСБ2л СКл, ЦСКл

Примечание: Кабели марок АСГ, СГ, АСБГ, СБГ, АСБ, СБ, АСКл, СКл могут быть изготовлены в тропическом исполнении. При этом к марке добавляется индекс "Т". В таблице 3 приведены основные технические характеристики. Таблица 3 Рабочее напряжение Температура окружающей среды при эксплуатации Относительная влажность воздуха (при температуре до +35°С): Предельная длительно допустимая рабочая температура жил: - для кабелей на напряжении 1,6 кВ: - для кабелей на напряжение 10 кВ: Электрическое сопротивление изоляции (пересчитанное на 1 км длины и температуру +20°С): - для кабелей на напряжение 1кВ: -для кабелей на напряжение 6,10 кВ: Минимальный радиус изгиба при прокладке (d - диаметр кабеля): Кабели могут быть проложены без предварительного подогрева при температуре:

1 кВ, 6 кВ, 10 кВ От -50°С до +50°С До 98% +80°C +70°C не менее 100 Мом не менее 200 Мом 15 d не ниже 0°С

Кабели с вязким пропитывающим составом без применения специальных устройств (стопорных муфт) прокладываются на трассах с разностью уровней и низшей точками расположения кабеля: - при номинальном напряжении кабеля 1 кВ разность уровней не более 25 м; - при номинальном напряжении кабеля 6, 10 кВ разность уровней не более 15 м. Кабели с нестекающим составом прокладываются на трассах с неограниченной разностью уровней. Рассмотренные кабели нашли широкое применение и составляют основу кабельных линий в электрических сетях промышленных предприятий в нашей стране, т.к. потенциально кабельные линии имеют значительные преимущества перед воздушными: занимают меньше места, безопасны, надежней и удобней в эксплуатации. Однако, кабели с пропитанной бумажной изоляцией, конструкция которых не претерпевала существенных изменений на протяжении нескольких десятков лет, имеют многочисленные недостатки: высокая повреждаемость, ограничения 7

по нагрузочной способности, ограничения по разности уровней прокладки, низкая технологичность монтажа муфт. Все это требует принятия дополнительных мер для обеспечения надежности электроснабжения и требований по передаваемой мощности: создание резервирования, прокладку параллельных кабелей, и, как следствие, значительного усложнения схемы сети и увеличения капитальных вложений. Кроме того, высокая повреждаемость кабельных линий требует наличия значительных сил для проведения земляных работ, ремонта кабельных линий, испытаний и отысканию мест повреждений в кабелях. Таким образом, значительная часть ресурсов предприятия отвлекается на содержание дополнительного персонала, закупку материалов для ремонта, техники, инструмента. Сначала 70-х годов в зарубежных странах кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена активно заменяют кабели с бумажной изоляцией в классах среднего и высокого напряжения. Среди пластмассовых изолирующих материалов наиболее предпочтительным является сшитый полиэтилен (СПЭ) в виду его хороших диэлектрических свойств и большого запаса термической стойкости. Высокие термические и механические свойства достигаются изменением молекулярной структуры обычного полиэтилена путем создания новых молекулярных связей. Сшивание молекулярных связей ведет к получению сшитого полиэтилена с эластично-резиновыми свойствами и с температурой размягчения выше, чем у обычного полиэтилена, а также более высокими диэлектрическими свойствами. Малая гигроскопичность, низкий вес, большая прочность - основные преимущества по сравнению с традиционно принятыми изолирующими материалами, что послужило главной причиной применения сшитого полиэтилена как изоляционного материала для кабелей среднего и высокого напряжения. Кабели с СПЭ изоляцией лишены большинства недостатков кабелей с бумажной изоляцией, поэтому их применение позволяет решить многие назревшие проблемы по надежности электропитания, оптимизировать схемы сетей, значительно снизить расходы на реконструкцию и содержание кабельных линий. Кабели с СПЭ изоляцией имеют больший диапазон рабочих температур. Так, в нормальном режиме для сшитого полиэтилена допускается температура 90°С, в кратковременном режиме (протекание токов короткого замыкания) 250°С. Прокладка и монтаж кабелей могут осуществляться при температуре до –20°С. При этом монтаж кабелей допускается с радиусом изгиба до 7,5 наружных диаметров. Однако основное преимущество СПЭ кабелей перед бумажными – это низкая повреждаемость. Из–за небольшого опыта эксплуатации, отсутствует достоверная информация о количестве повреждений кабелей в России. По зарубежным же источникам, процент электрических пробоев СПЭ кабелей на 2–3 порядка ниже, чем на кабелях с бумажной изоляцией.

8

Конструкция кабеля, производимого в России отличается от европейской- толщина изоляции увеличена с 3,4 до 4,0 мм. При прокладке в земле применяется оболочка из полиэтилена высокой плотности, обеспечивающая необходимую защиту кабеля от механических повреждений, как при прокладке, так и в процессе эксплуатации. Если необходима герметизация экрана, используются два слоя водонабухающих лент под и поверх медного экрана, накладываемых с перекрытием. При прокладке кабеля в кабельных сооружениях применяется оболочка из ПВХ пониженной горючести. Конструкция СПЭ кабеля показана на рисунке 4

1 Круглая многопроволочная уплотнённая токопроводящая жила: - материал: АПвП, АПвПг, АПвП2г, АПвПу, АПвПуг, АПвПу2г, АПвВ, АПвВнг-LS – алюминий (А), ПвП, ПвПг, ПвП2г, ПвПу, ПвПуг, ПвПу2г, ПвВ, ПвВнг-LS – медь, - сечение: от 50 до 800 мм2; 2 Экран по жиле из экструдируемого полупроводящего сшитого полиэтилена. 3 Изоляция из сшитого полиэтилена (Пв). 4 Экран по изоляции из экструдируемого полупроводящего сшитого полиэтилена. 5 Разделительный слой: - из полупроводящей ленты, - для кабелей с индексом “Г” и “2Г” - из полупроводящей водоблокирующей ленты; 6 Экран из медных проволок, скреплённых медной лентой: - сечением не менее 16 мм2 для кабелей с сечением жилы 50-120 мм2, - сечением не менее 25 мм2 для кабелей с сечением жилы 150-300 мм2, - сечением не менее 35 мм2 для кабелей с сечением жилы 400 мм2 и более; 7 Разделительный слой: - из двух лент крепированной бумаги, прорезиненной ткани или полимерной ленты, - для кабелей с индексом “Г” из двух лент крепированной бумаги или водоблокирующей ленты; - для кабелей с индексом “2Г” из водоблокирующей ленты; 8 Разделительный слой: - из алюмополиэтиленовой ленты (для кабелей с индексом “2Г”); - из слюдосодержащей ленты (для кабелей с оболочкой Внг-LS категории А); 9 Оболочка: - для АПвП, АПвПг, АПвПуг, ПвП, ПвПг, ПвП2г – из полиэтилена (П), - для АПвПу, АПвПуг, АПвПу2г, ПвПу, ПвПуг, ПвПу2г - из полиэтилена, увеличенной толщины (Пу), - для АПвВ, ПвВ из ПВХ пластиката (В), - для АПвВнг-LS, ПвВнг-LS – из ПВХ пластиката пониженной пожароопасности (кабели выпускаются категорий А и В пожарной безопасности).

Рисунок 4 9

Структура обозначения кабелей с СПЭ показана на рисунке 5.

Рисунок 5 В основном СПЭ кабели выпускаются в одножильном исполнении, а применение различных типов оболочек и возможность герметизации позволяет использовать кабель как для прокладки в земле, так и для кабельных сооружений, в том числе при групповой прокладке. СПЭ кабель может заменить кабель с бумажной изоляцией практически во всех случаях. Для этого проведем технико–экономическое сравнение традиционных и СПЭ кабелей. Из–за различий в затратах на ремонты и содержание кабельных линий для различных предприятий, разницу в общих эксплуатационных затратах оценить затруднительно, поэтому сравним только первоначальные вложения в кабель. Для сравнения возьмем кабели с одинаковой пропускной способностью – бумажный АСБ 3х240 10 кВ и три однофазных кабеля АПвП 1х185/25–10 кВ. Сравнение показывает, что при одинаковой токовой нагрузке и лучших остальных параметрах стоимость СПЭ кабеля примерно на 60–70% выше. Это объясняется более дорогими материалами и технологией изготовления, большим расходом материалов при радиальной конструкции кабеля. Но с другой стороны, такая конструкция обеспечивает равномерное распределение электрического поля и, как следствие, увеличение электрической прочности. Данная картина меняется кардинально при увеличении токовой нагрузки кабельной линии. Так, параллельные кабели АСБ 1х240 10 кВ целесообразно заменить СПЭ кабелем большего сечения, при этом разница в стоимости составляет 20 %, а кабель с СПЭ изоляцией позволит не только получить более надежную линию, но и отказаться от дополнительных ячеек для подключения второй линии. Для СПЭ кабеля на напряжение 35 кВ преимущества еще более очевидны. Так как, на этот класс напряжения бумажные кабели изготавливаются с отдельно освинцованными жилами, что влечет за собой значительное удорожание по сравнению с кабелями 10 кВ, следовательно и стоимости кабелей с бумажной и полиэтиленовой изоляцией одинакового сечения практически равны. При

10

этом полиэтиленовый кабель дает 40%–ное преимущество по нагрузочной способности. Сравнительный анализ показывает, что применение СПЭ кабеля наиболее целесообразно в следующих случаях: 1) это уровни напряжений 15,20,35 кВ, где даже первоначальные капитальные затраты на кабель будут ниже; 2) при необходимости передачи большой мощности, например передача мощности от генератора на шины РУ тепловой электростанции. Как показывает практика, применение полиэтиленовых кабелей позволяет достичь экономии не только за счет кабельных линий, но и за счет уменьшения затрат на строительную часть. При обслуживании затраты на содержание полиэтиленового кабеля минимальны; 3) когда кабель с бумажной изоляцией даже максимального сечения не проходит по токовой нагрузке. Так как токовая нагрузка полиэтиленового кабеля выше и максимальное сечение жилы может достигать 800 мм2, то целесообразно использовать один кабель большого сечения. Это касается и случаев прокладки «спаренных» кабелей, когда взамен двух кабелей сечением 240 мм2 целесообразно проложить один кабель сечением 500 мм2; 4) наличие большой разности уровней по трассе прокладки. При использовании бумажно–масляных кабелей происходит осушение изоляции кабелей в высоких точках, что может повлечь за собой пробой. При этом даже небольшая разность уровней прокладки может стать причиной многочисленных повреждений на КЛ; 5) использование кабелей с СПЭ изоляцией целесообразно при повышенных требованиях к надежности электроснабжения, так как повреждаемость СПЭ кабелей значительно ниже. Производство кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 10–110 кВ освоено в 1996 году заводом АББ Москабель (г. Москва), входящим в группу ABB (Asea Brown Bovery). Конструкция кабеля адаптирована к условиям эксплуатации в России. Кабель испытан и сертифицирован на соответствие требованиям российских стандартов. СПЭ-кабели производятся и применяются на напряжение до 500 кВ. При этом конструкция кабелей на высокое и сверхвысокое напряжения отличается в основном толщиной изоляции и защитной оболочки. В настоящее время основное распространение получили кабели напряжением 110 кВ. По капитальным затратам они дешевле маслонаполненных кабелей и значительно превосходят их по техническим характеристикам. Благодаря отсутствию жидких компонентов в изоляции, СПЭ-кабели могут применяться, по сути, в любых условиях, не требуют использования дополнительного оборудования, практически не нуждаются в обслуживании. Кроме того, эти кабели могут стать реальной альтернативой воздушным линиям, особенно на промышленных предприятиях и в местах с плотной застройкой, а также там, где требуется высокая надежность электроснабжения.

11

Кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена обладает несомненными преимуществами по сравнению с кабелем с бумажной изоляцией или маслонаполненным: -длительно допустимая температура нагрева жил кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена - 90оС, в кабелях с ПВХ изоляцией - 70оС; -предельно допустимая температура нагрева жил при коротком замыкании - 250оС, ПВХ изоляция - 130оС; - большая стойкость к растрескиванию и химическому воздействию; - меньший радиус изгиба кабеля; - более высокая надежность в эксплуатации; - простота монтажа и эксплуатации; - экологичность. - значительно дешевле и проще обслуживание и ремонт при механических повреждениях; - гораздо легче выполняются прокладка и монтаж соединительных муфт и концевых заделок в полевых условиях; -ход работ меньше зависит от погодных условий; - снижается опасность пожара на подстанциях и при механических повреждениях на трассе; - кабель можно прокладывать на участках с большим перепадом высот. 1.3 Контрольные вопросы 1.3.1 Назначение кабелей. 1.3.2 Конструкция кабелей. 1.3.3 Достоинства и недостатки кабелей. 1.3.4 Как выбираются кабели.

12

Список использованных источников 1 Электрическая часть станций и подстанций: Учеб. для вузов/ А.А. Васильев, И.П. Крючков, Е.Ф. Наяшкова и др.; Под. ред. А.А. Васильева.- М.: Энергоатомиздат,1990.- 578с. 2 Церазов А.Л., Старшинов В.А., Васильева А.П. Электрическая часть тепловых электростанций: Учеб. для вузов/ Под. ред. В.А. Старшинова.- М.: Издательство МЭИ, 1995.- 368с. 3 Ветхов П. СПЭ-кабель компании АББ Москабель // Новости электротехники.- 2003.-№2.-С.20. 4 Бутерус Р.Изоляция из сшитого полиэтилена требование времени для силовых кабелей // Новости электротехники.- 2003.-№3.-С.21.

13